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摘要
空心结构材料具有低密度、高通透性和易于回收的优点,因此人们对空心球的TiO2,如TiO2空心微球(TiO2-HMSs)的制备非常感兴趣.但是普通TiO2-HMSs的热稳定性较差,一般在600°C以上就由活性较高的锐钛矿相相变成活性很差的金红石相.考虑到氟离子能够抑制TiO2相变,因此我们以Ti(SO4)2为钛源,在NH4F和H2O2的共同作用下,于180°C水热制备了由空心颗粒自组装成的表面氟化的TiO2-HMSs,并考察了其热稳定性与光催化氧化分解丙酮的性能.研究发现,当焙烧温度从300°C上升到1000°C时,TiO2平均粒径从79.0 nm逐渐增大到97.7 nm,结晶度从1.00增大到1.53.这是由于热处理促进了TiO2颗粒的晶化.当进一步升温到1100°C时,XRD谱开始出现金红石相TiO2的特征衍射峰,此时约18.4%的锐钛矿相开始向金红石相转化.因此,本文制备的二氧化钛锐钛矿相可以稳定到1000°C,显示出优良的高热稳定性.扫描电镜显示,水热制备的TiO2-HMSs是由高能(001)面暴露的TiO2十面体纳米晶组装而成.随着焙烧温度提高到900°C,空心微球外观没有显著改变,但是组装体纳米晶暴露出来的空洞逐渐变小,晶粒变得圆滑;至1100°C时,空心微球组装体的纳米晶变成了球形颗粒,但是空心微球的空心结构没有坍塌,空心微球结构依然得到保留.我们用丙酮的紫外光催化氧化分解来评价不同温度焙烧的TiO2空心微球的光催化活性.结果显示,前驱体TiO2空心微球于300°C焙烧2 h,丙酮的氧化速率从1.39×10-3 min-1(前驱体)降至0.82×10-3 min-1(T300样品),这是因为样品表面吸附的氟离子受热挥发所致;当焙烧温度从300°C提高到900°C时,催化剂活性从0.82×10-3 min-1升至2.09×10-3 min-1,这是由于焙烧促进了TiO2的晶化;进一步升至1000和1100°C时,催化剂活性显著下降,这是由于催化剂的比表面积急剧减小和金红石相的生成.总之,本文利用氟离子的化学诱导作用制备出表面氟化的空心颗粒自组装TiO2空心微球,该TiO2空心微球显示出超高热稳定性与高光催化活性,因此在高热环境中具有实际应用前景.
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